JP6743067B2 - 改良された防爆熱撮像システム - Google Patents

Description

［背景技術］
赤外線カメラは、一般に標準的カメラが可視光を用いて画像を形成する仕方と同様に、赤外線放射を用いて画像を形成する。しかし赤外線カメラは、典型的にはより長い波長、例えば１４，０００ナノメートルの照明で動作する。赤外線カメラは、画像視野内に存在する熱の、非接触での表示を提供するために、多くの用途において非常に有用である。さらに赤外線カメラは、いくつかの状況において表面温度の表示が赤外線カメラによって与えられる画像から直接的に得られうるように較正されうる。

赤外線カメラが特に有用な１つの環境は、プロセス制御と監視とにおいてである。そのような環境においては、プロセス流体、例えば、石油化学製品、スラリー、医薬品化合物、を処理し、処理施設内の様々な場所に運搬しうる。しかし、プロセス制御及び監視の環境は、環境自体が著しく可燃性の又は爆発性のガスをその中に有しうるという点で、多くの装置に対して課題を提示している。従って、そのような環境において、そこで使用される電子装置が、防爆筐体内に収容されることが重要である。そのように収容されると、例え装置の回路が、スパークを発しても、又は環境を発火させる程に高温の表面温度を有する電気部品を有していても、生じる発火は、筐体内に完全に封じ込められて周囲環境に逃げることはできない。このことはプロセス制御設備及び作業員の安全を確保するために重要である。

防爆規格の１例は、潜在的な爆発性雰囲気に関するＥｘ d規格ＥＮ60079-0及びＥＮ60079-1に対するＡＴＥＸ認証である。一般に防爆ハウジングは、破裂することなく内部爆発を封じ込める程に十分に機械的に堅牢であるために比較的かさばっている。一般にそのような防爆容器は、爆発圧に耐えるように設計された非常に強固な金属製の筐体である。しかし、環境の光学的センシングに依存する装置（例えば赤外線カメラ）に関しては、筐体は、赤外線カメラが環境を見ることを可能にするために、ある種の透明な窓を備えていなければならない。残念なことに、爆発圧を封じ込めるほど十分に機械的に頑健であるように窓の厚さを増加させることは、窓の透過性を低下させ、窓のコストを増加させ、そして放射温度測定に望ましくない影響を与える。

熱撮像システムが提供される。上記熱撮像システムは、爆発圧を封じ込めるように構成された光学窓を有する防爆ハウジングを含む。上記光学窓は電磁熱エネルギーの通過を可能にする。熱画像センサは上記防爆ハウジング内に配置されている。熱撮像エレクトロニクスは、上記熱画像センサに結合され、上記熱画像センサからの信号に基づいて少なくとも１つの熱画像を提供するように構成されている。レンズアセンブリは、上記防爆ハウジングの外部の光学窓の少なくとも前方に配置されている。熱撮像のための複合光学窓がまた提供される。

別の実施態様において、爆発圧を封じ込めるように構成された光学窓を含む防爆ハウジングを有する熱撮像システムが提供される。上記光学窓は電磁熱エネルギーに通過を可能にする。赤外線（ＩＲ）カメラが、上記防爆ハウジング内に配置されている。反射体は、電磁熱エネルギーを上記ＩＲカメラに反射するように構成され、しかし上記光学窓に物体が衝突するのを防止するように構成されている。

本発明の１実施態様による防爆熱撮像システムの概略図である。 本発明の１実施態様によるレンズアセンブリ内に設けられたＩＲ窓の概略図である。 集束レンズに当たり通過する衝突物体を示す概略図である。 セレン化亜鉛の窓に衝突する衝突物体の概略図である。 本発明の１実施態様による複合ＩＲ窓の概略図である。 本発明の１実施態様による、危険な環境における赤外線カメラを動作させる方法のフロー図である。

本発明の実施態様は、一般に、熱撮像光学系の前方に、防爆窓及び／又は追加的な変更品を提供又は変更することによって熱撮像システムを改良する。一般に、熱撮像カメラの熱撮像光学系は、防爆の認証を満たすよう求められる内部圧力に耐えるようには設計されていない。例えば、適切な赤外線透過材料の破壊係数（ＭＲ：modulus of rupture）は比較的小さい。

本発明の実施態様は、一般に、圧力障壁として作用するのに適した赤外線窓を提供する。いくつかの実施態様において、赤外線窓は、セレン化亜鉛（ＺＮＳＥ）で形成される。防爆熱撮像システムを提供するための１つの可能性は、単純に、従来の赤外線カメラを、ＺＮＳＥのような赤外線透過材料で形成された厚いＩＲ窓を有する丈夫なハウジング内に配置することであるが、爆発圧を封じ込めるのに必要な窓の厚さは、許容できないほど光学性能に影響するであろう。さらに、そのような窓はコストがかかり過ぎるであろう。本発明のいくつかの実施態様によれば、ＩＲ窓は、熱撮像光学系の少なくとも１つの光学素子の内部または少なくとも後方に配置される。この方法において、光学素子は、ＩＲ窓を通過しなければならない光束のサイズを減少させることができる。このようにして、ＩＲ窓の直径を減少させることができ、圧力および衝撃の封じ込め要件に依然として従いながら、厚さを減少させることができる。

図１は、本発明の１実施態様による防爆熱撮像システムの概略図である。該システム１００は、熱撮像センサ１０２と、該センサ１０２に結合された関連する電子機器１０４とを含む。電子機器１０４は、システム１００が適切な電源及び／又は通信に結合できるように、ハウジング１０８を通過するコネクタ１０６に電気的に結合されている。レンズアセンブリ１１０は、センサ１０２の近傍に配置され、熱放射を熱撮像センサ１０２上に合焦させるように配置されている。レンズアセンブリ１１０は、図示された実施態様において、４つの別個のレンズ１１２、１１４、１１６、１１８を含む。さらに、防爆窓１２０は、レンズ１１４と１１６との間に配置される。窓１２０は、ＺＮＳＥのような赤外線透過率の高い材料で形成される。環境シール、例えばエラストマーのＯリング１２２は、防爆窓１２０をレンズアセンブリ１１０のフレームに密封させる。窓１２０は、フレーム１２４に対して消炎通路１２６を提供するように寸法決めされている。窓１２０がレンズアセンブリ１１０内に配置されているので、窓１２０の直径は、窓１２０がレンズ１１２の前方に置かれた場合に必要とされるよりも小さい。窓１２０の直径を縮小することによって、圧力封止要件に依然として準拠しながら、窓の厚さは低減されうる。これは、システム全体の光学性能を潜在的に増加させつつ、材料コストの低減を可能にする。

図２は、本発明の１実施態様によるレンズアセンブリ１１０内に配置された窓１２０の概略図である。熱撮像電磁放射は、最初に窓１２０を通過する前に第１セクション（参照符号１３０で示される）を通過する。第１セクション１３０は、一般に、外側集束レンズ１１２と、第２の集束レンズ１１４とを含む。熱撮像電磁放射が第２の集束レンズ１１４を通過すると、それは、１実施態様においてはセレン化亜鉛で形成されている窓１２０を通過する。次いで、熱撮像電磁放射は、光束を収束するように構成された集束レンズ１１６を通過する。レンズ１１６を出る熱撮像電磁放射は、集束レンズ１１４に入射し、それは更に、画像取得のために光束をカメラセンサ１０２上に合焦する。

関連する防爆認証に適合するために、装置は特定の試験に合格しなければならない。１つの試験において、直径１インチの球体が光学系に４ジュールの力で衝突する。これは、認証された設計が、装置の圧力封じ込め能力に過度に影響を与えることなく、少なくともある程度の衝撃に耐えうることを保証する。残念ながら、そのようなＩＲ窓（特にＺＮＳＥで形成された窓）は、そのような衝撃試験からの損傷の影響を受けやすい。

カメラレンズアセンブリ内に配置されたＩＲ窓を提供する本発明の実施態様は、そのような試験の衝撃からＩＲ窓を本質的に保護する。レンズアセンブリ内にＩＲ窓を置くことは、直径１インチの球の衝突が外側のレンズのみに影響を与え、システムの圧力封じ込め能力に影響を与えないことを保証する。

図３は、集束レンズ１１２に衝突し突き抜ける衝突球１５０を示す概略図である。しかし、金属シュラウド１５２は、直径１インチの球がＩＲ窓１２０またはレンズ１１４まで到達することができないような大きさである。このようにして、本発明の少なくともいくつかの実施態様は、レンズ１１２の外側に配置された、１インチよりも小さい直径を有するシュラウド１５２を備えた改良された防爆熱撮像システムを提供する。衝突物体１５０は、こうしてＩＲ窓１２０に到達しかつ衝突する前に停止させられる。衝突物体１５０がレンズアセンブリと接触すると、まず外側レンズ１１２、１１４によって減速され、最後にＩＲ窓１２０に衝突する前にレンズフレーム（シュラウド１５２）によって停止させられる。そのような配置は、防爆規格に対する認証適合性を容易にする。一度衝突を受けると、外側レンズ１１２が破壊され、システムはもはや実行可能な測定値を生成できなくなる。しかしこの測定の失敗は、熱画像自体によって容易に識別することができ、オペレータは故障を警告される。したがって、センサ１０２（図１に示される）に結合された電子機器１０４は、変化、例えばレンズアセンブリ１１０内の１又は複数のレンズの破損又は劣化を検出するために、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを介して、熱画像の時間シーケンスまたはレンズシステムの経時的な透過率に関連するパラメータを比較するように構成されうる。このようにして、レンズが破損または損傷した場合に、電子機器１０４はオペレータに警告を出す。

上述されたように、セレン化亜鉛の窓の衝撃試験は、そのようなＩＲ窓が特には耐衝撃性でないことを示している。しかし耐衝撃性は、防爆承認を取得し維持するために極めて重要である。これまで記載された実施態様は一般に、熱撮像システムのレンズアセンブリ内に防爆窓を配置することによって該防爆窓を保護するが、少なくともいくつかの実施態様においては、ＩＲ窓を衝撃に対して具体的に適応させる。

図４Ａは、場所１６２でセレン化亜鉛の窓１６０に衝突する衝突物体１５０の概略図である。衝突すると、多数の破砕片１６４が点１６２からｘ方向及びｚ方向の両方に広がる。一度、破砕片が窓１６０の全厚さ（Ｔ）を横切って移動すると、窓１６０の機械的完全性が損なわれ、爆発圧はもはや封じ込められなくなる。

図４Ｂは、本発明の１実施態様による複合ＩＲ窓１７０の概略図である。窓１７０は、ＩＲ透過性ポリアミド層１７６を挟む１対のより薄いセレン化亜鉛層１７２、１７４から形成されている。ポイアアミド層１７６は、耐衝撃性が高く、セレン化亜鉛のように破損しない。したがって、衝突物体１５０が位置１７８で層１７２に当たると、破断は参照符号１８０で示されるように伝播する。破断は最終的に層１７２を横切って伝播するが、ポリアミド層１７６を通って伝搬しない。したがって、層１７４の機械的完全性は変えられておらず、必要な防爆認証を取得し維持するために必要な爆発圧を依然として封じ込めることができる。衝突エネルギーの大部分は、第１層１７２によって吸収され、それにより第２層１７４に加えられる衝撃を破断に耐えるレベルまで低下させる。さらに、ポリアミド層１７６は、このような破断の伝播を阻止することを容易にすることができる。層１７４は耐圧シールを含み、防爆認証のために無傷のままであることが要求される。図４Ｂに示された複合ＩＲ窓を用いて、本発明の実施態様は、公知の熱撮像システムのための簡単な筐体を提供しうる。しかし、図４Ｂにおいて提供される複合ＩＲ窓は、ハイブリッド窓設計をＩＲ窓１２０に組み込むことによって、上で記載された実施態様において用いられうる。

図５は、本発明の１実施態様による改良された防爆熱撮像システムの概略図である。熱撮像システム２００は、防爆ハウジング２０４内に配置されたＩＲカメラ２０２を含む。防爆ハウジング２０４は、一方の端部にＩＲ窓２０６を含む。ＩＲ窓２０６は、赤外線放射を遮るところの何らかの格子または固体構造を有しない。いくつかの実施態様において、ＩＲ窓２０６は、図４Ｂに示されるハイブリッドＩＲ窓設計を含むことができる。しかし、実施態様はまた、単にＩＲ透過性材料、例えばセレン化亜鉛の単一モノリシック片であるようなＩＲ窓２０６も含む。ＩＲ窓２０６を衝撃から保護するために、反射体２０８は、ＩＲ窓２０６の実質的に前方に配置される。したがって、物体（例えば衝撃物体１５０）は、ＩＲ窓２０６に衝突することを防止される。こうして反射体２０８は、熱画像の取得において光学的に関与する一方で、ＩＲ窓２０６のための機械的シールドを提供する。図５に示された実施例において、反射体２０８は放物面鏡であり、したがって画像フィールドをＩＲカメラ上に合焦するのを助ける。さらに、システム２００はまた、赤外線窓２０６に近接して配置され、既知の放射率を有する少なくとも１つの表面２１２を有するように配置された放射率基準２１０も含む。ＩＲカメラ２０２が表面２１２を撮像するとき、該表面２１２の画像と組み合わせた既知の放射率は、鏡２０８およびＩＲ窓２０６の一方または両方の状態に関する貴重な情報を提供しうる。例えば、鏡２０８又はＩＲ窓２０６が汚れまたは損傷した場合に、このような状態は、ＩＲカメラ２０２によって放射基準面２１２を見ることによって確かめることができる。さらに、少なくともいくつかの実施態様において、図５に示され全構造は、３６０度の視野がＩＲカメラ２０２を使用して熱的に撮像されるように、軸２１４の周りに回転しうる。このことは、ＩＲカメラがラインスキャナモードで使用される場合に、比較的低解像度の撮像装置でさえも解像度を高めることができる。さらに、少なくともいくつかの実施態様において、鏡２０８は、３６０度視野の撮像を提供するためにＩＲカメラ２０２の光軸の周りを単に回転されてもよい。これは、ＩＲカメラ２０２の回転およびおよび関連する回転コネクタの回転が必要とされないという点で設計を単純化する。

Claims (11)

1. 熱撮像システムであって、
   少なくとも１つの防爆規格に適合する防爆ハウジングであって、光学窓を含む金属の防爆ハウジングと、ここで、前記光学窓は電磁的熱エネルギーが通過することを可能にする、
   前記防爆ハウジング内に配置された熱撮像センサと、
   前記熱撮像センサに結合され且つ前記熱撮像センサからの信号に基づいて少なくとも１つの熱画像を提供するように構成された熱撮像エレクトロニクスと、
   前記防爆ハウジングの外部で、前記光学窓の少なくとも前方に配置されたレンズアセンブリと、
   前記レンズアセンブリの外側に配置された１インチよりも小さい直径を有するシュラウドと、を含み、
   前記光学窓が、第２の材料で形成された第１のＩＲ透過性層と第２の材料で形成された第２のＩＲ透過性層とに挟まれた第１の材料からなるＩＲ透過性、耐衝撃性層で形成される、
   上記熱撮像システム。
2. 前記レンズアセンブリは、前記光学窓の前方に配置された第１及び第２のレンズを含み、
   第１のレンズが防爆ハウジングの外部にある、
   請求項１に記載の熱撮像システム。
3. 前記レンズアセンブリは、前記防爆ハウジング内に配置された少なくとも１つのレンズを含み、かつ前記電磁的熱エネルギーを前記熱撮像センサ上に合焦するよう構成されている、請求項１に記載の熱撮像システム。
4. 前記光学窓は、セレン化亜鉛で形成されている、請求項１に記載の熱撮像システム。
5. 前記レンズアセンブリは、１インチ未満の直径を有するハウジングを含んでいる、請求項１に記載の熱撮像システム。
6. 前記光学窓は、消炎通路を少なくとも部分において規定している、請求項１に記載の熱撮像システム。
7. 前記光学窓は、セレン化亜鉛の２つの層の間に挟まれたポリアミドで形成されている、請求項１に記載の熱撮像システム。
8. 前記熱撮像エレクトロニクスは、前記防爆ハウジング内に配置されている、請求項１に記載の熱撮像システム。
9. 前記光学窓は熱撮像のための複合光学窓であって、
   前記複合光学窓は、
   熱撮像電磁的放射を通過させるように構成され、しかし破砕を被るところの物質の第１層と、
   熱撮像電磁的放射を通過させるようにまた構成され、しかしまた破砕を被るところの物質の第２層と、
   前記第１層と前記第２層との間に配置されたポリアミドの層と、
   を含む、
   請求項１に記載の熱撮像システム。
10. 前記第１層及び前記第２層は、セレン化亜鉛で形成されている、請求項９に記載の複合光学窓。
11. 前記第１層及び前記第２層は、爆発圧を封じ込めるように構成されている、請求項９に記載の複合光学窓。

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